CN108255649B - 一种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，方法将基于测试性建模分析得到的故障‑测试相关性矩阵和通过EDA建模仿真获取的检测信号/参数状态和信号处理方法相结合，得到诊断对象的故障‑信号‑测试相关性矩阵，从而形成完整的诊断策略，支持和指导诊断对象的测试性设计。该诊断策略设计技术给出了一种测试性建模分析理论在诊断设计上的工程应用思路，为产品的测试性设计实现提供了途径，为测试性仿真分析得到的最优诊断策略在产品实际设计中的落实提供了支持。同时，本发明结合案例，验证了该技术的有效性和实用性。

Description

一种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法

技术领域

本发明是一种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，属于测试技术领域。

背景技术

高新技术在武器装备中的广泛应用，一方面极大地改善了装备的性能，使装备功能越来越先进；另一方面显著地增加了装备的技术和结构复杂性，对装备的诊断与维修提出了严峻挑战。主要表现在：(1)各类测试信息获取困难，无法测试或测试过程复杂；(2)测试设备繁多，测试标准、体系与设备不统一、不通用、不兼容；(3)故障诊断准确性较差、虚警率高；(4)诊断时间长、效率低、费用高，维修保障资源浪费，装备全寿命周期费用增加。而大量的研究和实践表明，要想从根本解决上述问题，必须在装备设计研制一开始就综合考虑整体诊断策略的设计，从设计的源头保证良好的测试性。因此，在设计初期，仿真分析作为设计辅助手段显得尤为重要。

诊断策略是指“结合约束、目标及其它相关要素优化实现系统故障诊断的一种方法”。良好的诊断策略设计对于降低测试成本，提高故障诊断能力、诊断效率和诊断精度具有十分重要的意义。但目前，基于建模分析的优化诊断策略研究对实际诊断设计的指导性多停留在理论阶段，缺乏工程应用的途径及案例，使得先进的诊断策略设计技术与工程实际脱节，因此，如何将仿真理论分析结果有效应用于实际工程设计，建立起二者之间的桥梁，是诊断策略设计中亟待解决的问题。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，该方法涵盖的诊断策略设计工作包括：诊断对象的功能与特性分析、诊断逻辑/判据建立、诊断对象状态获取方法确定、信息处理方法设计等。该方法给出了一种测试性建模分析理论在诊断设计上的工程应用思路。其以测试性模型和EDA功能仿真模型为基础，一方面，以测试性建模分析为手段，获得诊断逻辑/标准，明确各故障模式的检测隔离判据，将其作为诊断推理的依据(字典)，即得到故障-测试相关性矩阵；另一方面，以功能仿真分析和故障注入仿真分析为辅助，确定需获取的信号以及信号采集处理方法，进一步获得故障-信号-测试相关性矩阵，最终形成诊断对象的机内诊断策略设计方法。依据获得的诊断策略，可以进行诊断算法、程序及电路等的设计，从而在实际应用时根据相关参数的监控结果，得到所需的诊断结果，实现机内诊断。

本发明技术方案的内容如下：

该种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，其特征在于：

该方法的步骤如下：

1.诊断对象的功能、特性分析

依据产品的故障模式与影响分析(FMEA)与故障树分析(FTA)，确定产品的故障模式、故障率；基于产品的信号流图，确定故障传递关系；基于产品物理结构和测试能力，确定产品可用于诊断的测试点。

2.建立故障-测试相关性矩阵

建立故障-测试相关性矩阵就是建立诊断逻辑/判据的过程，其步骤如下：

2.1开展产品测试性模型建模工作：结合产品的故障模式信息、故障传递关系，基于产品可用于诊断的测试点，建立起产品的测试性模型。

2.2基于建立的测试性模型，依据产品的诊断要求和设计约束条件，开展测试性分析工作，步骤如下：

2.2.1根据故障模式与产品可用于诊断的测试点测试结果的关系，生成相关性矩阵；利用建模仿真软件，对建立的测试性模型执行静态分析和测试性分析，得到测试性模型的故障-测试相关性矩阵。

2.2.2根据可用于诊断的测试点布局和相关性矩阵，在满足产品的测试性指标的基础上，得到简化的相关性矩阵，识别冗余测试和故障隔离的模糊组。

2.2.3建立诊断用故障字典，即诊断对象的诊断逻辑/判据；依据诊断需求，利用生成的诊断树或检测隔离权值判断法，确定产品可用于诊断的测试点中的检测隔离用测试点，去除未选用测试点，即可得到产品的诊断用故障字典，即为该诊断对象的诊断逻辑/判据。

3确定诊断用信号/参数集

其步骤如下：

3.1建立产品EDA电路功能模型和EDA故障模型，步骤如下：

3.1.1建立EDA电路功能模型：基于EDA建模方法，依据产品功能原理建立其电路功能仿真模型。

3.1.2EDA故障模型的建立：根据诊断逻辑分析结果，基于故障模型建模方法，为故障-测试相关性矩阵中的故障模式建立故障模型。

3.2获取诊断对象状态信息：对产品的电路功能仿真模型进行仿真分析，得到产品正常工作状态下的电路各信号/参数状态及特征，针对产品功能特性，利用分析手段得到产品正常工作状态下的信号/参数特性。

3.3获取诊断对象的故障状态信息：将故障模型置于电路功能仿真环境中，进行故障注入仿真分析，得到产品各故障状态下的信号/参数特性。

3.4确定支持诊断所需采集的信号/参数，步骤如下：

3.4.1合并可复用的信号/参数：对于故障表征在同一信号上的故障模式，其检测参数可复用，以增加电路的利用率，减小检测电路/算法的体积/规模。

3.4.2通过仿真分析，选用等效信号/参数进行检测。

4.信号处理策略设计

信息处理策略设计即是在确定的诊断用信号/参数集的基础上，确定信号的采集和分析处理方法，为实现在线诊断，可将各类信号转换成数字量信号，由处理器统一进行采集处理。

5.建立诊断对象的故障-信号-测试矩阵

结合故障-测试矩阵，根据确定的各故障模式的检测参数及其检测处理方法，获得诊断对象的故障-信号-测试矩阵；根据各故障状态下需检测的信号/参数特性，将建模分析得到的诊断用故障字典中的检测隔离用测试点的测试结果以实际电路信号/参数特征量的形式表征，得到诊断用故障字典的实现策略，实现诊断策略的具象化设计。

6.机内诊断方案设计

根据确定的诊断逻辑/判据、需检测参数及其检测手段、信号处理方法，确定机内诊断设计方案，其步骤如下：

6.1机内诊断推理代码/程序设计：将具象化的故障-信号-测试相关性矩阵设计成机内诊断推理代码，并结合产品功能原理，设计诊断推理代码。

6.2实现信息处理设计：以实际电路和产品给定的信息处理算法对诊断所需信号/参数进行采集和处理。

6.3得到诊断结果：以设计的采集处理电路周期性监测各相关信号，根据监测结果，依机内诊断推理代码输出诊断结果，实现机内诊断设计。

等效信号/参数为已使用的检测信号/参数，以及对故障状态表征信号灵敏度较高的电路参数/信号。信号的采集和分析处理方法包括对信号/参数所作的调整、变换和传输，包括放大、衰减、滤波、整流、统计分析、频谱分析和A/D变换。

本发明技术方案的优点：

本文将测试性建模分析和EDA仿真分析手段有效结合，论述了一种基于仿真的诊断策略设计方法。其以测试性建模分析得到的故障-测试相关性矩阵为诊断基础，依据EDA功能及故障仿真分析，获取诊断所需的检测信号/参数状态并确定信号处理方法，从而构建得到诊断对象的故障-信号-测试相关性矩阵。该方法最终形成了一种完整的诊断策略，可以指导产品的实际诊断设计，为产品测试性的设计实现提供了思路和途径。

附图说明

图1是基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法实施流程。

图2是诊断对象功能框图。

图3(a)、图3(b)、图3(c)是案例系统的测试性模型。

图4(a)是故障-测试相关性矩阵。

图4(b)是标示冗余测试和模糊组的矩阵。

图5是诊断设计功能框图。

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

本专利申请实施例选用的对象为语音处理单元，对该语音处理单元进行基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法的步骤如下：

1.该诊断案例的功能框图和组成结构如图2及表1所示。依据产品的可靠性分析结果，如故障模式与影响分析(FMEA)与故障树分析(FTA)，确定产品的关键故障模式及故障率等信息，这里确定的故障模式是测试性建模的检测隔离对象，也是机内诊断BIT设计的对象；基于产品的信号流图，确定故障的传递关系；基于产品物理结构和测试处理能力，初步选定产品的可用于诊断的测试点。如表2所述。

2.选用TADS软件实现案例系统的模型建立，其模型为分层结构的信号流模型，如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。建模步骤主要包括：①根据系统功能框图建立层次化的模型结构；②输入模块的属性信息：包括端口、可靠性数据、故障模式等；③根据信号流向，建立模块之间的连接，表征故障间传递关系；④根据可用测试点，为模型添加初步的测试点和测试；⑤为模块添加信号/功能(参数、状态、指标)，建立测试与定义的信号之间的关系。

利用TADS软件，对建立的模型执行静态分析和测试性分析，得到模型的故障-测试相关性矩阵(D矩阵)，如图4(a)所示。

相关性矩阵中的相同列即互为冗余测试点，如图4(b)中灰色列所示；相同行即为一个模糊组。如图4(b)中的高亮行所示。利用权值分析法，同时优先考虑可复用于检测与隔离、或测试时间短/费用低的测试，筛除冗余测试；同时针对诊断需求，基于可用于诊断的测试点添加有效测试，进一步隔离模糊组。

在本案例中，以路径最短为诊断需求，对相关性矩阵进行优化，去除对诊断无用的测试。如表3所示。

在优化前的相关性矩阵中，以“1”表示某故障与测试点相关；“0”表示某故障与测试点无关；而在优化的相关性矩阵中，以“1”表示某故障发生时该测试不通过；“0”表示某故障发生时该测试通过，用缺项表示不需要此测试点的测试结果即可以诊断故障。

3.使用仿真分析软件Saber作为EDA建模分析工具，根据前期研究成果，Saber环境下各类器件的主要建模手段如表4所示。根据如表4所示的EDA建模手段及方法，对案例电路进行建模，可得到其EDA电路功能模型。选取有代表性的几种故障模式进行分析说明，包括：“固高/低”故障、“桥接”故障、“开路”故障、“短路”故障、“性能漂移”故障。

对于本案例电路，输出主要功能信号为语音模拟信号SOUND，信号主要性能参数为其有效值，正常工作范围为：1.35V(±5％)。对案例电路执行瞬态仿真分析，测量输出性能参数，如图5所示。仿真得到所设计电路正常工作的信号输出的有效值为1.296V，电路设计满足电路要求。同时可得到电路正常工作状态下的其他各信号参数特征。

以上述六种典型故障模式为例，针对各故障模型执行瞬态仿真分析，获取故障状态信息。同理可得到电路各故障下的其他各信号参数特征。依据案例电路的功能仿真结果和故障仿真结果，分析故障特征形式主要为：数字信号、离散模拟信号、高频模拟波形信号三类。

在本案例电路中，对同一信号源的不同故障模式，其表征参数可复用，如对于D3-D0、RESET-A等的固高/固低故障，实际上需采集的都是该信号的电平参数。经EDA仿真分析和灵敏度分析，选定限流后的模拟波形输出有效值作为限流电阻开路和漂移故障的等效信号：该信号可以有效表征限流电阻开路和阻值漂移故障，且对电阻阻值变化的灵敏度较高；同时，其检测方法与输出波形对运放故障模式的表征参数的检测方法相同，不用单独进行电路设计，应用成本较低。

4.本案例中，信号均为电信号，依照故障状态信息，待检测参数主要包括数字信号、离散模拟信号、高频模拟波形信号三类。为实现在线诊断，可将各类信号转换成数字量信号，由处理器统一进行采集处理。需注意的是：为得到不失真的数字量和波形信号，采集频率应不低于诊断对象电路时钟的7倍。总结得到各故障模式的检测信号/参数及其检测手段，如表5所示。

5.结合故障-测试矩阵，根据确定的各故障模式的检测参数及其检测处理方法，获得诊断对象的故障-信号-测试矩阵。如表6所示。

6.在案例电路中，可选用诊断设计电路包括如RMS测量电路、模数转换电路、处理器及其外围电路三大部分。如图5所示，其中，CLK是时钟信号输出；D3-0是中央处理器的输出语音数据；RESET-A是处理器输出的语音合成电路复位信号；VCK是处理器与语音合成电路的交互信号；5VCC和12VCC是5V和12V的供电电源电压；AOUT是语音合成电路输出的模拟波形；AOUT_1是限流后的模拟波形输出；SOUND是音频处理放大后的模拟波形输出。

基于上述诊断策略形成诊断方案，通过适当添加软硬件电路，采集9个检测隔离用测试点上的信号，即可实现对诊断对象18种故障模式的有效检测和隔离。

附表

表1是组成系统的功能模块及其功能。

表2是故障模式分析表。

表3是优化后的故障-测试相关性矩阵。

表4是各类器件的建模方法列表。

表5是音频处理单元案例各故障模式的检测参数及处理方法。

表6是故障-信号-测试相关性矩阵示例。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

Claims (3)

1.一种基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，其特征在于：

该方法的步骤如下：

步骤1.诊断对象的功能特性分析

依据产品的故障模式与影响分析和故障树分析，确定产品的故障模式、故障率；基于产品的信号流图，确定故障传递关系；基于产品物理结构和测试能力，确定产品可用于诊断的测试点；

步骤2.建立故障-测试相关性矩阵

其步骤如下：

步骤2.1开展产品测试性模型建模工作：结合产品的故障模式信息、故障传递关系，基于产品可用于诊断的测试点，建立起产品的测试性模型；

步骤2.2基于建立的测试性模型，依据产品的诊断要求和设计约束条件，开展测试性分析工作，步骤如下：

步骤2.2.1根据故障模式与产品可用于诊断的测试点测试结果的关系，生成相关性矩阵；利用建模仿真软件，对建立的测试性模型执行静态分析和测试性分析，得到测试性模型的故障-测试相关性矩阵；

步骤2.2.2根据可用于诊断的测试点布局和相关性矩阵，在满足产品的测试性指标的基础上，得到简化的相关性矩阵，识别冗余测试和故障隔离的模糊组；

步骤2.2.3建立诊断用故障字典，即诊断对象的诊断逻辑判据，依据诊断需求，利用生成的诊断树或检测隔离权值判断法，确定产品可用于诊断的测试点中的检测隔离用测试点，去除未选用测试点，即可得到产品的诊断用故障字典，即为该诊断对象的诊断逻辑判据；

步骤3.确定诊断用信号参数集

其步骤如下：

步骤3.1建立产品EDA电路功能模型和EDA故障模型，步骤如下：

步骤3.1.1建立EDA电路功能模型：基于EDA建模方法，依据产品功能原理建立其电路功能仿真模型；

步骤3.1.2EDA故障模型的建立：根据诊断逻辑分析结果，基于故障模型建模方法，为故障-测试相关性矩阵中的故障模式建立故障模型；

步骤3.2获取诊断对象状态信息：对产品的电路功能仿真模型进行仿真分析，得到产品正常工作状态下的电路各信号参数状态及特征，针对产品功能特性，利用分析手段得到产品正常工作状态下的信号参数特性；

步骤3.3获取诊断对象的故障状态信息：将故障模型置于电路功能仿真环境中，进行故障注入仿真分析，得到产品各故障状态下的信号参数特性；

步骤3.4确定支持诊断所需采集的信号参数，步骤如下：

步骤3.4.1合并可复用的信号参数：对于故障表征在同一信号上的故障模式，其检测参数可复用；

步骤3.4.2通过仿真分析，选用等效信号参数进行检测；

步骤4.信号处理策略设计

信息处理策略设计即是在确定的诊断用信号参数集的基础上，确定信号的采集和分析处理方法，为实现在线诊断，将各类信号转换成数字量信号，由处理器统一进行采集处理；

步骤5.建立诊断对象的故障-信号-测试矩阵

结合故障-测试矩阵，根据确定的各故障模式的检测参数及其检测处理方法，获得诊断对象的故障-信号-测试矩阵；根据各故障状态下需检测的信号参数特性，将建模分析得到的诊断用故障字典中的检测隔离用测试点的测试结果以实际电路信号参数特征量的形式表征，得到诊断用故障字典的实现策略，实现诊断策略的具象化设计；

步骤6.机内诊断方案设计

其步骤如下：

步骤6.1机内诊断推理代码或程序设计：将具象化的故障-信号-测试相关性矩阵设计成机内诊断推理代码，并结合产品功能原理，设计诊断推理代码；

步骤6.2实现信息处理设计：以实际电路和产品给定的信息处理算法对诊断所需信号参数进行采集和处理；

步骤6.3得到诊断结果：以设计的采集处理电路周期性监测各相关信号，根据监测结果，依机内诊断推理代码输出诊断结果，实现机内诊断设计。

2.根据权利要求1所述的基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，其特征在于：等效信号参数为已使用的检测信号参数，以及对故障状态表征信号灵敏度较高的电路参数信号对同一信号源的不同故障模式，其表征参数可复用。

3.根据权利要求1所述的基于建模仿真协同分析的诊断策略设计方法，其特征在于：信号的采集和分析处理方法包括放大、衰减、滤波、整流、统计分析、频谱分析和A/D变换。

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